12.水质工程学III—水的软化与除盐 §2-3 离子交换法基本原理(上)(ppt文档)

二、 离子交换树脂
1、离子交换树脂的组成
离子交换树脂的化学结构分为不溶性树脂母体和活 性基团两部分。树脂母体为有机化合物和交联剂组成的 高分子共聚物。故离子交换树脂主要包括三个部分，即 单体（有机化合物）、交联剂、活性基团 1）.单体：它是能聚合成高分子化合物的低分子有机 物，是离子交换树脂的主要成分，也称为母体。
离子交换树脂优先交换那些化合价数高的离子，即 化合价越大的离子被交换（吸附）的能力越强；在同价 离子中则优先交换原子序数大的离子。
在常温、低浓度水溶液中，常见离子的选择性顺序： 强酸性阳离子交换树脂：
Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+ 弱酸性阳离子交换树脂：
H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+ 强碱性阴离子交换树脂：
;
阴、阳离子交换树脂配合：除盐。
5、离子交换树脂的命名
离子交换树脂产品的型号是根据国家标准《离子交换 树脂产品分类、命名及型号》而制定。
1．名称 离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架（或基 团）名称以及基本名称依次排列组成的。
2．型号 离子交换树脂产品 的型号以三位阿拉伯数字组成 ：第一位数字代表产品分类，第二位数字代表骨架组成， 第三位数字为顺序号，用以区别活性基团或交联剂的差异 。
SO42—>NO3－>Cl－>OH－>F－>HCO3－>HsiO3－ 弱碱性阴离子交换树脂：
OH—>SO42—>NO3－>Cl－>HCO3－>HsiO-3
（3）交换容量
交换容量表示离子交换树脂的交换能力，即可交换离子 量的多少，通用单位质量或单位体积的树脂所能交换离子的 摩尔数表示。
全交换容量：指单位质量的离子交换树脂中全部离子交 换基团的数量，其单位通常以mmol/g表示。
阳离子交 换树脂
阴离子交 换树脂
交换基团
化学式
名称
－SO3－H＋ －COO－H＋
磺酸基 羧酸基
==N+OH-
==N+OH==N2+OH---N3+OH-
季铵酸 叔胺酸 仲胺酸 伯胺酸
酸碱性 强酸性 弱酸性 强碱性
弱碱性
（2）按照离子交换树脂的孔型分类有：
凝胶型树脂：为均相高分子凝胶结构，在其所形成的球 体内部，由单体聚合成的链状大分子在交联剂的连接下组 成空间结构。
（4）密度：单位体积树脂的质量称为离子交换树脂的密度，密度单 位：g/mL，或kg/L。分为干态密度和湿态密度。湿态密度又分为湿 真密度和湿视密度（P398）。
湿态树脂的真体积是指湿态树脂本身所占的体积（不包括树脂 颗料之间的空隙）。离子交换树脂的反洗强度、膨胀率及分层特性
与湿真密度有关。一般1.04-1.3。
上，以化学键结合着许多交换基团，这
些交换基团（活性基团）也是由两部分
组成：固定部分和活动部分。
树 脂
交换基团中的固定部分被束缚在高
分子的基体上，不能自由移动，所以称
为固定离子；
交换基团的活动部分则是与固定SO3 Na
SO3 Na
SO3 Na
2、离子交换树脂的结构
（1）高分子骨架 由交联的高分子聚合物组 成；
（2）离子交换基团 它连在高分子骨架上， 带有可交换离子（称为反离子）的离子型官 能团或带有极性的非离子型官能团；
（3）孔 它是在干态和湿态的离子交换树脂 中都存在的高分子结构中的孔（凝胶孔）和 高分子结构之间的孔（毛细孔）。
在交联结构的高分子基体（骨架）
以苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂的合成为例
（1）高分子骨架的合成：用苯乙烯为单体，二乙烯苯为交联 剂，合成聚苯乙烯树脂，作为苯乙烯系离子交换树脂的骨架
CH=CH2
CH=CH2
n
+m
过氧化苯甲酰 引发剂
苯乙烯 单体
CH=CH2 二乙烯苯 交联剂
CH-CH2
CH-CH2-
n
-CH-CH2聚苯乙烯
高分子骨架
工作交换容量：指一个周期中单位体积树脂实现的离子 交换量，即单位体积树脂从再生型离子交换基团变为失效型 基团的量。一般为总交换容量的60%—70%。
影响工作交换容量的主要因素有：树脂种类、粒度、原 水水质、出水水质的终点控制、交换运行流速、树脂层高度 、再生方式等。
（4）热稳定性
离子交换树脂的热稳定性表示在受热作用下树脂保持理 化性能不变的能力。
水质工程学Ⅲ
第二章 水的软化与除盐
§2-3 离子交换法基本原理（上）
主讲：张立秋 副教授
§2-3 离子交换法基本原理
一．离子交换概述 二．离子交换树脂 三．离子交换树脂的性能 四．离子交换平衡 五．离子交换速度 六．离子交换过程 七．离子交换树脂层内的再生过程 八．离子交换树脂的选用和保管
一、 离子交换概述
其孔径大小与树脂的交联度和膨胀程度有关。交联 度越大，孔径越小；湿树脂孔径大，干树脂孔径小。
特点：孔径极小，平均为1~2nm。只能通过直径很 小的离子，直径较大的分子通过时，则容易堵塞孔道而影 响树脂交换能力
大孔型树脂：制造过程加入致孔剂（甲苯、汽油等）， 以致形成大量的毛细孔。
两者的区别在于结构中孔隙的大小。凝胶型树 脂不具有物理孔隙，只有在侵入水中时才显示其分子链 间的网状孔隙；而大孔树脂无论在干态或湿态，用电子 显微镜都能看到孔隙，其孔径为20～100nm以上，而凝 胶型孔径仅1～2nm。
湿树脂的视体积是指离子交换树脂以紧密的无规律排列方式在量 器中占有的体积，包括树脂颗粒的固有体积及颗粒间的空隙体积。 湿视密度是用来计算离子交换器中装载树脂时所需湿树脂量的主要 数据。一般0.60-0.85mg/L。
（5）含水率 树脂的含水率是指在水中充分膨胀的湿树脂中所
含水分的百分数。
含水率和树脂的类别、结构、酸碱性、交联度、交 换容积、离子形态等有关。它可以反映离子交换树脂的 关联度和网眼中的空隙率。
常用的凝胶型树脂含有2－12%的交联剂（二乙烯苯）。 交联度取决于制造过程，并对树脂交换容量、含水率、溶胀 度、机械强度等性能产生影响。水处理用离子交换树脂的交 联度7%－10% （8）耐磨性由于相互摩擦和胀缩作用，会产生破裂现象。
2. 交换树脂的化学性能
（1）酸碱性:离子交换树脂是一种不溶性的高分子电解 质，在水溶液中能发生电离，有的电离出H+，有的电离 出OH-，因此，呈现出不同强弱的酸碱性。
D
顺序号 骨架代号 分类代号 大孔型符号
大孔型离子交换树脂的型号
D111—大孔型弱酸性丙烯酸系阳离 子交换树脂
凡属于大孔型树脂，在其型号前加字母“D”；凡属于凝胶型树 脂，在型号前面不加任何字母。交联度可在型号后面用“×”连阿 拉伯数字表示。
强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，型号为001×7
强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，型号为201×7
离子交换剂包括：无机离子交换剂（天然： 海绿沙、合成：泡沸石）、有机离子交换剂[人造碳 质：磺化煤、有机合成离子交换树（阳离子交换树 脂和阴离子交换树脂）]等。当前，普遍应用于水处 理的离子交换剂的物质是有机合成离子交换树脂。
离子交换树脂作为水处理中最常用的离子 交换剂，其是由交联结构的高分子骨架（称为母体 ）与附属在骨架上的许多活性基团所构成的不溶性 高分子电解质。
离子交换树脂热稳定性顺序为：
SO3 Na
SO3 Na
SO3 Na
以离子键结合的符号相反的离子，称为 固定离子
反离子
反离子或可交换离子。
离子交换基团
3、 生产过程:
我们先简单介绍一下离子交换树脂的生产方法与过 程，将有助于了解其构造和性质。
其生产方法有两种：
1）、先合成母体，在引入活性基团。 2）、先合成含有活性基团的单体，在 聚合,一般常用第一种方法。
离子交换树脂也能进行水解反应，若其水解后 树脂的交换基团为弱酸或弱碱时，则该树脂的水解 度较大，例如：
RCOONa＋H2O→RCOOH+NaOH
RNH2CL+H2O→RNH2OH+HCL
(2)选择性：离子交换树脂对水中各种离子的交换能力不 相同。有些离子易被离子交换树脂吸着，但吸着后要把 它解吸下来就比较困难；有些离子则难被离子交换树脂 吸着，但易被解吸，这种性能称为离子交换的选择性。
大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，型号D113
大孔型弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，型号为D301
三、离子交换树脂的基本性能
1. 交换树脂的物理性能
（1）颜色：离子交换树脂依其组成 不同，呈现的颜色也各不相同：黄色 、赤褐色、黑色等。一般交联剂多、 杂质多，树脂的颜色就深。
凝胶型树脂呈透明半透明状态；大孔型树脂由于毛线 孔道对光的折射作用，则呈不透明状态。
1）强碱性阴树脂：其中的强碱基团在受热时易发生分解反 应，结果使树脂的交换容量降低。不同强碱性阴离子树脂的 最高使用温度见表11-6。
2）弱碱性阴树脂：弱碱基团在受热时会发生脱落现象 ，其热稳定性比强碱基团高。
3）强酸性阳树脂：其最高使用温度为100－1200C。
4）弱酸性阳树脂 ：其热稳定性更高一些，工作温度可 达2000C 。
2）.交联剂：它是能在线性结构分子缩聚时起架桥作用 ，而使其分子中的基团键合成不溶的网状体结构的物质 。常用的交联剂是二乙烯苯
CH=CH2
CH=CH2
3）.交换（活性）基团：它是联结在单体上的具有活性 离子（可交换离子）的基团。它可以由有离解能力的低 分子[如硫酸H2SO4、有机胺 N(CH3)3等] 通过化学反应引 接到树脂内；也可由带有离解基团的单体（如甲基丙烯 酸）直接聚合。